Characterization of air-water and ocean-water interfaces processes for the assessment of Submarine Groundwater Discharge by radium and radon mass balance
Caractérisation des processus aux interfaces air-eau et sédiment-eau pour la quantification des apports d'eaux souterraines par le radium et le radon
Résumé
Submarine Groundwater Discharges usually named SGD refer to all water flux moving through the sea floor and reaching the marine water column. Many studies have showed that SGD may represent important inputs of water, nutrients as well as contaminants to the coastal zone. In contact with rocks and sediments, groundwater is enriched in radionuclides, such as radon-222 (222Rn) and radium isotopes 223 and 224 (223Ra and 224Ra). Monitoring these radionuclides in coastal areas allows to trace SGD inputs while their fluxes may be quantified through their mass balances. This method has been used for many years, even though the terms from the mass balance related to sediment-water and air-water interfaces remain difficult to manage. The objective of this thesis is to develop methods to better describe and evaluate these terms, in order to get a better quantification of SGD fluxes. Studies were conducted on three constrasted Mediterranean coastal areas.
For the air-water interface, the atmospheric flux and the gas transfer coefficient of radon have been estimated for different wind conditions on the Berre lagoon (Bouches-du-Rhône). Two empirical equations linking this coefficient to wind speed have been established. They highlight a permanent flux, even without wind. This result is important because the equation of radon atmospheric flux used in mass balance calculations in the literature do not take into account this degasing term for no wind conditions, and this may induce error in the estimation of mass balances.
For the sediment-water interface, the study of the Mar Menor lagoon (Spain) allows us to evaluate the influence on the mass balances of sediment resuspension and diffusive flux of radionuclides across the sea floor. New methods are proposed here in order to calculate and evaluate each of these fluxes, as well as a new approach for estimating the diffusive flux of radium .
Submarine groundwater discharges have been estimated for these two sites as well as for the coastal karstic system of Port-Miou (Bouches-du-Rhône, France). If no SGD inputs were detected in Berre lagoon, they are 5 to 200 times higher than river inputs in the Mar Menor. In this case, the direct inputs from the aquifer represent only 2 to 23 % of total SGD fluxes, which are predominantly caused by lagoon water recirculation through sediments forced by tidal pumping. For the first time, the monitoring of radionuclides in this lagoon was combined to a hydrodynamic model, allowing to locate precisely the SGD inputs from the aquifer.
In Port-Miou, the brackish water input from a karstic spring remains at the sea surface, creating a two-layer system in the water column because of the absence of vertical mixing. The box model used to estimate mass balances must take this into account, and its depth has to be defined from salinity vertical profiles.
We also demonstrated that a good estimation of radionuclides and salinity mean values is important for the estimation of the mass balance with minimal error. The combination of radionuclides, water and salt mass balances leads to calculate a flux of 5 m3/s from the spring. This value is similar to the one measured by pressure gradient, which confirms the reliability of this method for karstic systems.
La notion d'apports d’eaux souterraines en zone côtière, appelés SGD pour "Submarine Groundwater Discharge", désigne l'ensemble des flux d’eau qui circulent à travers le plancher océanique et rejoignent la colonne d’eau marine. De nombreuses études ont montré que ces SGD pouvaient constituer des apports considérables d'eau ainsi que de nutriments ou de contaminants. Au contact de la roche et des sédiments, les eaux souterraines s'enrichissent en radioéléments, tels que le radon-222 (222Rn) et les isotopes 223 et 224 du radium (223Ra et 224Ra). Le suivi de ces radioéléments en zone côtière permet de tracer les apports de SGD et leurs bilans de masse permettent de quantifier leurs flux. Cette méthode est utilisée depuis plusieurs années, mais les termes des bilans qui correspondent aux interfaces "sédiment-eau" et "air-eau" restent difficiles à appréhender. L'objectif de cette thèse est d'apporter, à partir de l’étude de trois zones côtières Méditerranéennes, des précisions sur ces termes afin de permettre une meilleure quantification des flux de SGD.
Pour l'interface air-eau, les flux de dégazage vers l'atmosphère et les coefficients de transfert du gaz radon ont été estimés pour différentes conditions de vent sur l’étang de Berre (Bouches-du- Rhône). Deux équations empiriques reliant ce coefficient et la vitesse du vent ont été établies et ont mis en évidence un dégazage permanent, même en l'absence de vent. Ce résultat est important car l'équation du flux atmosphérique du radon utilisée dans les calculs de bilan de la littérature ne prend généralement pas en compte ce terme de dégazage lorsqu'il n'y a pas de vent. Les bilans peuvent donc être faussés.
Pour l'interface sédiment-eau, l’étude de la lagune de Mar Menor (Espagne) a permis d’évaluer comment la remise en suspension des sédiments et les flux diffusifs de radioéléments depuis le sédiment peuvent affecter leur bilan de masse. Nous décrivons dans ces travaux une méthode de calcul et d’évaluation en laboratoire pour chacun de ces flux et proposons une nouvelle approche pour estimer le flux diffusif du radium.
Le bilan des apports en eaux souterraines a été estimé pour ces deux sites (étang de Berre et Mar Menor) et pour le système karstique côtier de la Calanque de Port-Miou (Bouches-du-Rhône). Si aucun apport souterrain n’a été détecté dans l'étang de Berre, les flux de SGD estimés dans Mar Menor représentent des flux d'eau 5 à 200 fois plus élevés que les apports par les rivières. Nous avons montré que les apports directs depuis l’aquifère ne réprésentent que 2 à 23 % de ces SGD, qui sont majoritairement causés par de la recirculation d’eau à travers les sédiments sous l'effet du pompage
par la marée. Les suivis de radioéléments dans la lagune ont été pour la première fois combinés à un modèle hydrodynamique qui a permis de localiser précisément les apports de l'aquifère par SGD.
A Port-Miou, l'apport d'eau saumâtre par la source karstique se fait en surface et l’absence de mélange vertical induit un système bi-couche de la colonne d'eau. Le modèle en boite permettant d'estimer les bilans doit alors absolument en tenir compte et la profondeur de la boite doit être définie à partir de profils verticaux de salinité.
Nous avons également démontré qu’une bonne estimation de la valeur moyenne des radioéléments et de la salinité constituait un paramètre important pour l'estimation du bilan, et permet d’en minimiser les erreurs. La combinaison des bilans en radioéléments avec ceux d'eau et de sel nous a permis d'estimer un débit de la source d'environ 5 m3/s. Cette valeur est très proche de celle mesurée dans la source par différence de pression et atteste ainsi de la fiabilité de cette méthode pour les systèmes karstiques.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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